Symbiose fixatrice d'azote versus nutrition minérale azotée : conséquence sur l'interaction entre Medicago truncatula et le puceron du pois Acyrthosiphon pisum

Nitrogen-fixing symbiosis versus nitrogenous mineral nutrition : consequence on the interaction between Medicago truncatula and the Acyrthosiphon pisum

• Auteur / Autrice : Gaurav Pandharikar
• Direction : Marylène Poirié, Pierre Frendo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 15/06/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Côte d’Azur (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Sophia Agrobiotech (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Simon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Simon, David Giron, Marc Lepetit
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Giron, Marc Lepetit

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Moyens de défense

Azote -- Fixation

Rhizobium

Symbiose

Puceron du pois

Mots clés libres

Puceron du pois (Acyrthosiphon pisum)

Medicago truncatula

Symbiose facultative

Symbiose

Rhizobium

Fixation de l'azote

Défense des plantes

Pea aphid (Acyrthosiphon pisum)

Medicago truncatula

Facultative symbiont

Symbiosis

Rhizobium

Nitrogen fixation

Plant defence

Résumé

Les symbiotes jouent un rôle crucial dans le phénotype de leur hôte et dans son adaptation à l'environnement. Cependant, jusqu'à récemment, les interactions plantes-insectes étaient étudiées sans tenir compte de la présence de bactéries symbiotiques chez les partenaires impliqués. De nouvelles découvertes ont démontré que les communautés racinaires et aériennes des plantes sont liées. Dans ce contexte, mon doctorat s'interroge sur la façon dont les interactions entre les espèces végétales et les insectes sont modulées par leurs symbiotes respectifs. Dans un premier temps, j'ai analysé le rôle de la symbiose fixatrice d'azote (NFS) chez la légumineuse Medicago truncatula (A17) dans l’interaction avec des lignées de pucerons du pois Acyrthosiphon pisum portant différents endosymbionts facultatifs (FS). Pour ce faire, j'ai comparé la croissance de plantes de M. truncatula inoculées avec la bactérie nodulante Sinorhizobium meliloti (NFS) ou arrosées avec une solution de nitrate (non inoculées ; NI) infestées par des lignées de pucerons du pois provenant d’un même clone génétique (YR2) soit sans FS ou avec Hamiltonella defensa, Serratia symbiotica ou Regiella insecticola. La croissance des plantes NSF et NI est réduite par l'attaque des pucerons, tandis que la croissance des pucerons (mais pas leur survie) a été fortement réduite sur les plants NFS. En présence de pucerons la capacité de fixation d'azote des plantes NFS est réduite suite à l’induction d’une sénescence précoce des nodules. Enfin, chez les plantes NFS, toutes les lignées de pucerons ont déclenché l'expression du gène Pathogenesis-Related-1 (PR1), un marqueur de la voie salicylique (SA), et du gène Proteinase inhibitor (PI), un marqueur de la voie jasmonique (JA), tandis que chez les plantes NI, seule l'expression de PR1 a été déclenchée. Ainsi, le statut symbiotique de la plante influence clairement les interactions plante-puceron et la réponse de la plante à l’infestation, alors que le statut symbiotique du puceron ne fait que moduler l'amplitude de cette réponse. Il a été démontré que le génotype de la plante et du puceron sont tous deux importants dans le résultat de leur interaction, j'ai donc étudié plus en détail comment la NFS affecte l'interaction entre différents génotypes de plantes et de pucerons. Pour cela, j'ai utilisé trois génotypes différents d’A. pisum dépourvus de FS (LL01, YR2, T3-8V1) et deux génotypes de M. truncatula (A17 et R108) en présence ou en absence S. meliloti. La performance de chaque génotype de puceron sur les deux génotypes de plantes et l'effet des différents génotypes de pucerons sur la croissance des plantes et la capacité de fixation de l'azote des plantes de SNF ont été mesurés. Nous avons également estimé la réponse de défense médiée par le génotype de M. truncatula déclenchée par les différents génotypes de pucerons en utilisant différents gènes marqueurs des voies de défense JA et SA. J'ai constaté que les génotypes plantes-insectes ainsi que la présence de S. meliloti affectent de manière significative les interactions plantes-aphides. Ainsi, les interactions génétiques interspécifiques entre la plante hôte et les pucerons ainsi que leur statut symbiotique peuvent influencer la dynamique de la population et la structure de la communauté. Ces résultats montrent que l'interaction plante-insecte est fortement influencée par la génétique des espèces et par leur statut symbiotique, ajoutant un nouveau niveau de complexité qui reste à explorer.

Symbionts play a crucial role in shaping their host phenotype and driving its adaptation to the environment. However, until recently plant-insect interactions were studied disregarding the symbiotic bacterial presence in the involved partners. New findings have now demonstrated that above- and belowground plant communities are linked through biotic interactions. In this context, my PhD questions how the interaction between plant-insect species are modulated by their respective symbionts. In the first part of my work I have analysed the effect of the nitrogen fixing symbiosis (NFS) in the leguminous Medicago truncatula (A17) in interaction with pea aphid Acyrthosiphon pisum lines bearing different facultative endosymbionts (FS). For this, first I have compared the growth of M. truncatula plants either inoculated with the nodules inducing bacteria Sinorhizobium meliloti (NFS) or supplemented with nitrate (non-inoculated; NI), infested with pea aphid lines derived from the same genetic clone (YR2) and bearing either no FS or Hamiltonella defensa, Serratia symbiotica or Regiella insecticola. As expected, growth of both NFS and NI plants was reduced by the aphid attack, while aphid growth (but not survival) was strongly reduced on NFS compared to NI plants. Interestingly, most aphid lines decreased the plant nitrogen fixation capacity of NFS plants by inducing an early nodule senescence. Finally, in NFS plants all aphid lines triggered the expression of Pathogenesis Related Protein 1 (PR1), a marker of the salicylic (SA) pathway, and of Proteinase Inhibitor (PI), a marker of the jasmonic (JA) pathway, while in NI plants only PR1 expression was triggered. Thus, the plant symbiotic status influences clearly the plant–aphid interactions and the plant response while the aphid symbiotic status only modulates the response amplitude. Since both plant and aphid genotypes are important in the outcome of their interaction, I further studied how plant symbiosis affect the plant-insect genotype x genotype interaction. For this, I used three different pea aphid genotypes devoid of FS (LL01, YR2, and T3-8V1) and two M. truncatula genotype (A17 and R108) combinations in the presence or absence of rhizobacteria. The performance of each aphid genotype on both plant genotypes and the effect of different aphid genotypes on the plant growth and nitrogen fixation capacity of NFS plants were measured. We also estimated M. truncatula genotype-mediated defence response triggered by the different aphid genotypes using multiple gene markers of the JA and SA defence-pathways. I found that the plant-insect genotypes as well as the rhizobacteria presence significantly affect plant-aphid interactions. These results show that the outcome of the plant-insect interaction is strongly impacted by the genotype of the species and by their symbiotic status, rising a new level of complexity that remains to be explored.